DAFTAR PUSTAKA
3.3 Metode Penelitian .1Start-up Reaktor
Start-up reaktor dilakukan dengan cara mengalirkan air baku secara kontinyu ke dalam reaktor melalui media sampai terbentuk lapisan biofilm yang melekat pada media dengan WTH 4 jamselama 29 hari. Indikasi keberhasilan
start-up reaktor adalah terbentuknya biofilm yang melekat pada media dan penyisihan organik. Pengamatan dilakukan secara visual berupa TSS, warna dan kekeruhan serta menganalisa nilai COD, nitrat, amoniumsampai diperoleh efisiensi penyisihan stabil (kondisi steady state). Modelfixed bed reactor yang digunakan dalam penelitian ini terbuat dari bahan FRP (fiberglass reinforce plastic)dengan media penyangga berupa plastik tipe sarang tawon, plastik bekas AMDK dan batu apung seperti diperlihatkan pada Gambar 5 dan 6.
Gambar6SkemaUp flow fixed bed reactor Keterangan :
a : aerator b : sirkulator c : kran keluar d :kran
(a) (b) (c)
Gambar7 Media penyangga plastik tipe sarang tawon (a), plastik AMDK (b) dan batu apung (c) pada up flow fixed bed reactor
Total volume reaktor adalah 130 liter, sedangkan volume kerja yang digunakan adalah total air dan media sebesar 120.63 liter dengan dimensi diameter tabung tengah 48.5 cm dan tinggi 25 cm serta diameter tabung bawah 38.5 cm dan tinggi 64 cm. Ketiga reaktor ini dirancang dengan tinggi media yang sama yaitu sebesar 25 cm dan dilengkapi dengan pompa aerasi dan pompa sirkulasi dengan tinggi 20 cm.Media plastik tipe sarang tawon yang digunakan terbuat dari bahan plastik transparan dengan ukuran modul 30x30x25 cm, luas permukaan 226 m2/m3, porositas 98% dan total volume media yang digunakan adalah 68.65 liter.Media plastik AMDK yang digunakan sebelumnya dipotong-potong dengan ukuran 5 cm sebanyak 66.68 liter, sedangkan batu apung yang digunakan berukuran kurang lebih diameter 5 cm sebanyak 51.2 liter. Suplai udara diberikan oleh pompa aerator dengan kapasitas 3 liter/menit. Reaktor ini juga dilengkapi dengan lubang inlet dan lubang outlet yang terletak pada kedua sisi reaktor.Reaktor dari drum tersebut dirancang dengan pipa yang menghubungkan ke air sungai. Fixed bed reactorini beroperasi secara up flow
yaitu aliran mengalir dari bawah ke atas. Pengaturan laju alir dilakukan dengan pengaturan putara keran sampai menunjukkan debit sesuai dengan waktu tinggal hidrolik seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3 Debit air baku sesuai waktu tinggal hidrolik
No. WTH (Jam) Debit air (liter/menit)
1 2 3 4 1 2 3 4 1.68 0.84 0.56 0.42 3.3.2 Pelaksanaan Penelitian
Air baku diambil dari pipa utama intake WTP IPB dialirkan ke dalam reaktor melalui keran pengatur untuk mengatur laju alir sesuai dengan variabel WTH yang ditentukan. Air baku masuk ke dalam drum penampung dari atas ke bawah selanjutnya masuk ke dalam unggun media sarang tawon dari bawah ke atas (up flow). Selama reaktor bekerja diberikan udara menggunakan pompa aerasi dan sebagian air disirkulasi dengan pompa sirkulasi secara terus menerus. Dalam penelitian ini dilakukan variasi WTH dari 1, 2, 3 dan 4 jam. Sampel diambil dan dilakukan analisa laboratorium dari masing masing WTH baik titik masuk (air baku) maupun titik keluar (air olahan) untuk mendapatkan data efisiensi penyisihan organik, amonium, deterjen dan TSS. WTH terbaik diambil dengan cara memilih WTH terendah namun efisiensi penyisihan zat tinggi.
Pengambilan sampel pertama dilakukan untuk identifikasi air baku. Selanjutnnya yang kedua sampel diambil secara berkala sampai bioreaktor telah mencapai kondisi stabil. Penentuan kondisi stabil dilakukan dengan mengukur konsentrasi zat organik seperti COD, nitrat dan amonium pada saat start-up
reaktorterhadap waktu pada masing-masing titik sampling. Pengambilan sampel yang ketiga yaitu pada saat pelaksanaan percobaan inti yaitu setiap hari pukul 08.00 – 09.00 (disesuaikan dengan WTH) pada masing-masing titik sampling yaitu titik masuk (air baku) dan titik keluar (hasil pengolahan).
Sampel yang diambil langsung dianalisa laboratorium pada saat itu juga. Parameter-parameter yang diukur pada penelitian ini adalah konsentrasi senyawa organik yaitu COD, senyawa anorganik (amonium dan nitrat), selain itu dianalisis pula sifat fisik air seperti TSS (Total Suspended Solid), tingkat kekeruhan, warna dan pH. Tahap selanjutnya dilakukan uji jar test untuk menentukan jumlah
koagulan PAC (Poly Aluminium Choride) optimum pada air baku dengan tingkat kekeruhan dan TSS yang berbeda. Sampel berupa air sungai sebanyak 500 ml dimasukkan ke dalam enam baker glass. Satu baker glass dijadikan kontrol, dan lima baker glass lainnya ditambahkan PAC dengan volume yang berbeda-beda. Uji jar test dilakukan selama 30 menit dan diaduk dengan kecepatan 45 rpm, setelah diaduk sampel yang diberi perlakuan tersebut didiamkan selama 30 menit. Hasil uji jar test ini dibandingkan dengan hasil pengolahan air baku di fixed bed reactor. Diagram alir tahapan penelitian dapat dilihat pada Gambar 7.
Persiapan alat dan bahan
Start-up reaktor
Laporan penelitian Analisis dan pengolahan data Sampling dan analisa laboratorium
Variasi WTH 4, 3, 2 dan 1 jam Pelaksanaan percobaan
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Air Baku Aliran Sungai Cihideung
Sumber air baku yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan air bersih di Institut Pertanian Bogor diambil dari dua aliran sungai yaitu sungai Cihideung dan sungai Ciapus. Kedua sumber air baku tersebut diolah terlebih dahulu di Water Treatment Plan milik IPB. Pada penelitian ini sampel air baku yang digunakan berasal dari sungai Cihideung.Laju alir produksi air bersih di setiap unit WTP Cihideung sekitar12.5 L/ detik, namun bila tingkat kekeruhan air baku meningkat terlalu tinggi maka laju alir produksi menjadi terganggu.Lokasi WTP seperti ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 9Lokasi WTP IPB Darmaga
Penelitian ini dilakukan pada musim hujan dengan kondisi iklim di kota Bogor suhu rata-rata 26oC dengan suhu terendah 21.8oC dan suhu tertinggi 30.4oC serta kelembaban udara 70% dan curah hujan rata-rata 3500 – 4000 mm. Hasil analisa air baku WTP IPB yaitu air sungai Cihideung, menunjukkan sifat fisik seperti TSS rata dalam air baku sebesar 69.29 mg/L, warna 232.97 PtCo, kekeruhan 42.97 FTU serta konsentrasi senyawa organik (COD) rata-rata
w
x
Perumahan rakyat, perkebunan dan persawahan
Perumahan rakyat, perkebunan dan persawahan
245mg/L, amonium 3.09 mg/L, dan nitrat 3.596 mg/Lserta pH yang berkisar antara 4.5-6.9. Berdasarkan hasil penelitian, tingkat kekeruhan dan TSS pada saat hujan lebih tinggi dibandingkan saat cerah. Kondisi ini diakibatkan pada saat hujan endapan di sekitar air berlonjak ke atas dan kotoran-kotoran di sekitar sungai ikut terbawa arus sehingga tingkat kekeruhan sangat tinggi begitu pula dengan TSS dan warna pada air baku. Oleh karena itu, pada saat hujan kebutuhan koagulan untuk mengendapkan atau menyisihkan padatan terlarut dan tidak terlarut semakin meningkat. Variasi kondisi air baku sungai Cihideung pada bulan Januari hingga Maret 2012 untuk TSS berkisarantara 68-246 mg/L, warna berkisar antara 144-1100 PtCo, kekeruhan berkisarantara 41-300 FTU, COD berkisar antara 124-224 mg/L, nitrat berkisar 3,1-5,8 mg/L dan amonium berkisar antara 3,1-6,8 mg/L.
4.2 Start-up Reaktor
Start-up reaktor dilakukan pada 3 unit reaktor yang mempunyai ukuran dan desain yang identik. Kondisi operasi reaktor selama start-up dilakukan pada suhu ruang dan pH 6.8-7.4. Mikroorganisme pengurai dibiarkan tumbuh secara alami yaitu dengan cara mengalirkan air baku secara terus menerus ke dalam fixed bed reactoryang telah diisi media sampai terbentuk lapisan biofilm yang melekat pada permukaan media tersebut. Proses pertumbuhan mikroorganisme ini didukung dengan suplai udara 3 liter/menit secara terus menerus, dengan demikian air baku akan kontak dengan mikroorganisme yang tersuspensi di dalam air maupun yang menempel pada permukaan media, sehingga terjadi penguraian senyawa organik (Widayat 2010). Sistem ini dilakukan dengan tujuan untuk proses aklimatisasi mikroorganisme. Aklimatisasiadalah suatu proses menumbuhkan dan mengadaptasikan mikroorganisme pada media yang ada dimana mikroorganisme tersebut yang nantinya akan berperan dalam mendegradasi bahan-bahan organik dan anorganik. Mikroorganisme tersebut dapat tumbuh atau melekat pada media hingga membentuk lapisan berupa biofilm karena di dalam air sungai terkandung unsur-unsur atau substrat yang dibutuhkan untuk pertumbuhan dan perkembangbiakan mikroorganisme seperti unsur N dari amonium dan unsur P dari senyawa fosfat.
Selama proses start-up dialirkan umpan air sungai sebanyak 0.42 liter/menit dan diresirkulasi yang bertujuan untuk menaikkan dan menahan pertumbuhan biofilm. Dengan adanya suplai oksigen yang cukup serta laju alir yang kecil menyebabkan pembentukan biofilm pada media biofilter. Hasil selama proses start-updi analisis konsentrasi amonium, nitrat dan nilai COD. Proses start-up
dilakukan hingga tercapai keadaan tunak (steady state).Pada hari pertama hingga hari ke-16 terjadi penurunan konsentrasi amonium pada ketiga reaktor. Penurunan konsentrasi amonium ini masih bersifat fluktuatif dimana nilainya berkisar antara 0.3-1.8 mg/L. Hal ini disebabkan oleh mikroorganisme yang ada masih beradaptasi dengan lingkungannya yang baru sehingga proses penguraian senyawa amonium belum berjalan dengan baik ditandai dengan lapisan biofilmyang terbentuk masih tipis. Pada hari ke 18 hingga hari ke-29konsentrasi amonium pada air olahan sudah mencapai kondisi tunak (steady state) dimana nilainya berada di titik 0,3 mg/L. Pada fase ini disebut proses pematangan dan setelah mencapai kondisi stabil disimpulkan mikroorganisme pengurai telah tumbuh dan bekerja dengan baik (Winkler 1981). Widayat (2010) melakukan aklimatisasi pada air sungai dengan WTH 8 jam selama dua minggu. Aklimatisasi yang dilakukan lebih cepat karena dipengaruhi oleh WTH yang lebih lama. Bakteri yang berperan pada proses ini adalah jenis bakteri Nitrosomonas (Widayat 2010). Hasil pengujian amonium masing-masing reaktor selama proses start-up
reaktor ditunjukkan pada Gambar10.
Gambar10Konsentrasi amonium selama proses start-up reaktor.
0 2 4 6 0 5 10 15 20 25 30 K onsent ra si NH 4 +(m g /L ) Waktu (hari) Influen
Efluen R1 (media plastik tipe sarang tawon) Efluen R2 (media plastik amdk)
Konsentrasi amonium (NH4+) dan nitrat (NO3-) akan berbanding terbalik selama proses nitrifikasi dalam fixed bed reactor. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa mikroorganisme membutuhkan unsur-unsur seperti N dari amonium dan P dari senyawa fosfat yang ada dalam air sungai untuk tumbuh dan berkembang biak. Ammoniak akan berubah menjadi amonium didalam air sesuai dengan persamaan reaksi NH3 + H2O NH4 + O2(Liet al.2010). Pada proses nitrifikasi dengan bantuan mikroorganisme amonium akan berubah menjadi nitrit dan kemudian menjadi nitrat, berikut ini adalah tahapan dari nitirfikasi yang dapat dibagi ke dalam dua tahapan, yaitu:
1. Tahap nitritasi, merupakan tahap oksidasi ion amonium (NH4+) menjadi ion nitrit (NO2-) oleh bakteri Nitrosomonas, melalui reaksi berikut ini:
NH4+ + 1 ½ O2NO2- + H2O + 2,75 KJ
2. Tahap nitrasi merupakan tahap oksidasi ion nitrit menjadi ion nitrat (NO3-) oleh bakteri Nitrobacter dengan melalui reaksi berikut ini:
NO2- + 1 ½ O2NO3- + 75 KJ
Secara keseluruhan proses nitrifikasi adalah sebagai berikut: NH4+ + 2O2NO3- +2 H- + H2O
Penurunan konsentrasi amonium diikuti oleh peningkatan konsentrasi nitrat terjadi selama proses start-up. Peningkatan konsentrasi nitrat pada masing-masing reaktor menunjukkan kerja bakteri pada proses nitrifikasi berjalan dengan cukup baik seperti ditunjukkan pada Gambar 11.
Gambar 11Konsentrasi nitrat selama start-up reaktor.
0 1 2 3 4 5 6 7 0 5 10 15 20 25 30 K onsent ra si NO 3 -(m g /L ) Waktu (hari) Influen
Efluen R1 (media plastik tipe sarang tawon) Efluen R2 (media plastik amdk)
Dari Gambar 11 dapat dilihat peningkatan konsentrasi nitrat yang terjadi pada masing-masing reaktor. Konsentrasi nitrat influen berada di bawah nilai 4 mg/L, sedangkan masing-masing reaktor memiliki influen lebih dari nilai tersebut. Efluen R1 memperlihatkan nilai yang cukup tinggi di awal dan berfluktuasi hingga hari ke-16. Efluen R2 dan R3 rata-rata memiliki nilai yang tidak jauh berbeda yaitu kisaran 4.05-5 mg/L. Pada hari ke-18, ketiga reaktor berada pada nilai yang hampir sama dan sudah mencapai kondisi yang stabil hingga hari ke-29. Peningkatan konsentrasi nitrat ini terjadi karena adanya proses nitrifikasi dimana senyawa seperti nitrogen amonium akan dirubah menjadi nitrit dan nitrat dan pada kondisi anaerobik nitrat yang terbentuk akan mengalami proses denitrifikasi menjadi gas nitrogen yang lepas ke udara. Oleh karena itu, senyawa amonium akan turun dan nitrat akan meningkat.
Mikroorganisme merupakan faktor penting pada proses biologis, baik dalam penyisihan zat organik maupun dalam proses nitrifikasi. Berdasarkan penelitian Widayat (2010) bakteri Basilus subtilis, Clostridium, dan Proteus sp diidentifikasi sebagai pengurai senyawa organik, sedangkan pengurai amonium dalam proses nitrifikasi adalahNitrosomonas dan Nitrobacter. Mikroorganisme tersebut membutuhkan oksigen untuk menunjang aktifitasnya. Salah satu variabel kontrol agar terjadi degradasi senyawa organik adalah oksigen terlarut (DO/ Dissolve Oxigen). Proses degradasi akan berjalan dengan baik apabila DO air di dalam
fixed bed reactor>1 mg/L (Widayat 2010). Pada akhir proses start-updilakukan pengujian konsentrasi DO pada masing-masing fixed bed reactorberaerasi ini yaitu R1 mencapai 6.35mg/L, R2 sebanyak 6.3 mg/L dan R3 sebanyak 6.32 mg/L. Hal ini menandakan bahwa proses degradasi terjadi di dalam ketiga fixed bed reactortersebut berjalan dengan baik. Proses degradasi yang terjadi ditandai dengan penurunan nilai COD. Prosesstart-up dilakukan hingga tercapai keadaan tunak(steady state), yaitu nilai COD dengan fluktuasi 10% (Ahmad 2003). Pada tahap start-up, influen yang masuk berada pada kisaran 180-230 mg/L. Nilai COD yang tinggi tersebut digunakan untuk meningkatkan konsentrasi biomassa dan mempertahankan pertumbuhan biofilm pada ketiga media yang ada. Penurunan nilai COD selama proses start-up ini seperti ditunjukkan pada Gambar 12.
Gambar 12Nilai COD selama proses start-up reaktor.
Gambar 12 menunjukkan perubahan nilai COD cenderung menurun dan sedikit berfluktuasi. Menurut (Martinov et al. 2010) bahwa selama masa start-up, reaktor aerob akan tetap dalam keadaan non tunak sampai biofilm berkembang secara penuh. Hasil pengamatan menunjukkan bahwa pada awal masa start-up, reaktor masih dalam kondisi non tunak diperlihatkan dengan menurunnya dan berfluktuasinya konsentrasi COD mulai dari hari pertama hingga hari ke-16. Setelah hari ke-18, fluktuasi konsentrasi COD relatif sangat kecil dan memperlihatkan kestabilan. Menurunnya nilai COD pada tahap start-up dari kisaran 200-230 mg/L menjadi 47-50 mg/L terjadi dalam waktu 18 hari. Penurunan ini membuktikan bahwa pembentukan lapisan mikroorganisme pada media plastik tipe sarang tawon, media plastik AMDK dan media batu apung berlangsung diikuti dengan degradasi senyawa-senyawa organik. Pendegradasian tersebut akan berpengaruh terhadap nilai COD yang dihasilkan, berarti jika nilai COD rendah menunjukkan kandungan senyawa organik di dalam air olahan akan rendah juga. Proses dapat dikatakan telah selesai apabila kondisi tunak (steady state) telah tercapai yakni nilai COD menunjukkan fluktuasi 10%. Hasil pengamatan menunjukkan pada hari ke-18 hingga hari ke-29, fluktuasi kurang dari 10%, oleh karena itu kondisi dinyatakan tunak (steady state). Kondisi steady state untuk COD yang didapatkan oleh Widayat (2010) adalah pada hari ke 14. Hal ini dikarenakan WTH yang digunakan lebih lama yaitu 8 jam menyebabkan
0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 C O D ( m g /L) Waktu (hari) Influen
Effluen R1 (media plastik tipe sarang tawon) Effluen R2 (media plastik amdk)
kontak antara mikroba pada biofilm dengan substrat pada influen lebih sering dan lebih lama. Akibatnya kondisi steady state lebih cepat didapatkan. Jenis bakteri yang berperan pada proses degradasi COD adalah jenis protozoa, Lactobacillus, Bacillus, Acinetobacter sp, Sacharomyces (Metcalf dan Eddy 2003).
4.3 Perubahan Waktu Tinggal Hidrolik
Setelah biofilm pada media plastik sarang tawon, media plastik AMDK dan media batu apung terbentuk maka mikroorganisme yang berperan dalam proses degradasi senyawa organik ini diduga tumbuh. Selanjutnya dilakukan pengamatan pada dinamika perubahan nilai parameter COD terhadap perubahan waktu tinggal hidrolik. Pengaturan laju alir influen dilakukan untuk memperoleh waktu tinggal hidrolik yang diinginkan yaitu 4 jam, 3 jam, 2 jam dan 1 jam. Pada WTH 4 jam, pengukuran dilakukan setiap setengah jam hingga jam ke-4. Setelah itu pengukuran dilakukan setiap 4 jam sekali. Pada WTH 3 jam, pengukuran dilakukan setiap setengah jam hingga jam ketiga selanjutnya pengukuran dilakukan 3 jam sekali. Untuk WTH 2 jam, pengukuran setengah jam sekali dilakukan hingga jam ke-2 dan selanjutnya dilakukan pengukuran sebanyak 2 jam sekali. Begitu juga dengan WTH 1 jam, dimana pengukuran setengah jam dilakukan hingga jam ke-1, setelah itu dillakukan pengukuran sebanyak 1 jam sekali. Dinamika perubahan WTH terhadap COD seperti ditunjukkan pada Gambar 13.
Gambar 13 menunjukkan pada WTH 4 jam, nilai COD di R1 mengalami penurunan sampai keadaan tunak sebesar 48-51 mg/L, R2 sebesar 45-46 mg/Ldan R3 sebesar 52-54 mg/L. Ketiga media tersebut mencapai kondisi tunak dengan waktu 32 jam. Pada WTH 3 jam, nilai COD di R1 mengalami penurunan sampai keadaan tunak sebesar 65-67 mg/L, R2 sebesar 60-62 mg/Ldan R3 sebesar 65-69 mg/L. Ketiga media tersebut mencapai kondisi tunak dengan waktu 24 jam. Pada WTH 2 jam, nilai COD di R1 mengalami penurunan sampai keadaan tunak sebesar 76-79 mg/L, R2 sebesar 72-75 mg/Ldan R3 sebesar 77-80 mg/L. Ketiga reaktor tersebut mencapai kondisi tunak dengan waktu kurang dari 24 jam.
Gambar 13 Dinamika perubahan WTH terhadap COD 0 50 100 150 200 250 0 20 40 60 80 100 120 140 C O D ( m g /l )
waktu operasi (jam)
influen Reaktor dengan media plastik tipe sarang tawon Reaktor dengan media plastik amdk Reaktor dengan media batu apung
WTH 4 jam WTH 3 jam WTH 2 jam WTH 1jam
45
Pada WTH 1 jam, nilai COD di R1 mengalami penurunan sampai keadaan tunak sebesar 83-87 mg/L, R2 sebesar 80-84 mg/Ldan R3 sebesar 83-89 mg/L. Ketiga media tersebut mencapai kondisi tunak dengan waktu 8 jam. Adanya fluktuasi atau kondisi dinamik ini disebabkan oleh perubahan laju alir yang masuk menyebabkan sistem bekerja ulang. Pada saat dilakukan pengukuran, efluen yang diukur belum mewakili efluen WTH 4 jam yang sebenarnya. Hal ini dikarenakan, efluen yang keluar belum sepenuhnya diolah dengan waktu tinggal hidrolik selama 4 jam. Nilai COD selama perubahan WTH pada masing-masing reaktor menunjukkan kecenderungan menurun dan berfluktuasi. Adanya beban organik yang berfluktuasi juga mempengaruhi konsentrasi COD di dalam sistem. Hal ini dapat terjadi karena jika terdapat peningkatan beban organik menimbulkan peningkatan kandungan atau senyawa-senyawa organik yang terukur sebagai COD yang ada di dalam air.
4.4 Pengaruh WTH Terhadap Penyisihan Organik, Amonium, Total Solid